CN103927754A - 一种车载摄像机的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载摄像机的标定方法，包括以下步骤：设备安装和标定场地铺设、图像标定。本发明提出了一种基于消失点检测的车载摄像机标定方法。测距时采用基于消失点的纵坐标Y_L进行坐标变换，无需因为摄像机的安装高度和俯仰角的变化进行重新标定，操作简单方便；此外，本发明还简化了数据计算模型，提高了车载计算机的反应速度。本发明提出的标定方法与车辆的俯仰角变化无关，且能根据路面消失点Y_L坐标的变化快速计算出空间坐标与图像坐标的对应关系，测距速度快、精度高。本发明实现了摄像机标定数据的自动调整，从而解决摄像机重新安装或车辆行驶过程中俯仰角变化所导致的测距精度不足的问题。

Description

一种车载摄像机的标定方法

技术领域

本发明属于现代交通领域的安全车距预警技术，特别涉及到一种车载摄像机的标定方法。

背景技术

随着人们对汽车安全的要求越来越高，安全车距预警装置越来越多的应用于普通轿车上，利用安全车距预警装置提醒或辅助驾驶员制动已经成为减少交通事故的重要方法。其中，基于车载摄像机的预警装置凭借其成本低、信息量丰富等优点被广泛应用于现有车辆安全车距的监测及预警，其原理是：首先，通过车载摄像机拍摄前方道路图像，并从中识别出前方车辆；然后，基于摄像机标定技术获取图像坐标系和车体坐标系的对应关系，从而计算出图像中的目标车辆距本车的实际距离；最后，依据目标车辆距本车的距离做出是否预警的判断。其中，车载摄像机标定决定着车距计算的准确程度，是安全预警技术的关键环节。

在现有的车载摄像机标定方法中，基于透视变换的摄像机标定测距方法，具有对摄像机安装没有限制、也不需要获取摄像机内参以及简单可行等优点，但每次安装后都必须通过地面标定物进行标定和校正，并且存在以下两个缺陷：（1）车载摄像机一旦经过标定后，其安装高度和俯仰角就不能变化，特别是俯仰角的变化将导致严重的测距误差，若要避免该误差，则在每次车距预警装置安装到车辆上之后，都需要进行一次新的摄像机标定，不能满足用户对产品简便性的需求；（2）在车辆由于加减速或路面起伏等原因出现俯仰角变化时，车载摄像机的俯仰角也将发生变化，从而影响测距精度。

发明内容

为解决现有方法存在的上述问题，本发明要提出一种既可以提高简便性又可以提高测距精度的车载摄像机的标定方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种车载摄像机的标定方法，包括以下步骤：

A、设备安装和标定场地铺设

根据安装高度不同，将车型大致分为小型、中性和大型三类；针对同一车型，设备安装在前风挡玻璃上部，安装高度可在小范围内波动，摄像机应居中安装；选择水平的标定场地，场地上包含左、右两个车道线，标定物在道路平面内尽量等距放置；记录车体坐标系下各标定点的坐标；

B、图像标定

B1、一次标定

B11、标定图像采集

使用车载摄像机采集标定场地图像，要求采集范围内的标定物与路面的交线在图像中清晰可辨；通过连续改变摄像机的俯仰角，采集不同俯仰角下的标定场地图像并进行编号，编号分别为：场景1、场景2、场景3、场景4、场景5、场景6、场景7和场景8；

B12、标定点车体坐标和像素坐标的获取

在画图软件中分别打开标定图像，将光标移动至每个标定点与路面交汇线的中心点，在画图软件的右下方读出该点的像素坐标（x,y）并进行记录；定义第i个标定点的像素坐标为（x_i,y_i），单位为pixel，与其对应的车体坐标系下标定点的坐标记为（X_i,Y_i），单位为m；

B13、标定参数获取

设当前车体坐标系中任意点（X,Y,Z）在二维图像坐标系上的坐标（x,y），如果空间点都在同一个平面上，即Z为常数，则空间点和图像点的坐标满足：

$X=\frac{C_{1}x+C_{2}y+C_3}{C_{7}x+C_{8}y+1}---\left(1\right)$

$Y=\frac{C_{4}x+C_{5}y+C_6}{C_{7}x+C_{7}y+1}---\left(2\right)$

式中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇和C₈为所求的8个未知系数；由式（1）和（2）可知，若已知4个以上标定参考点的空间坐标及其在图像上对应点的坐标，就用非线性最小二乘法拟合8个未知系数，从而确定空间平面和图像平面的坐标变换关系；

基于各标定点在车体坐标系和图像坐标系中的坐标，使用Matlab软件采用最小二乘法拟合出式（1）和式（2）中的8个未知参数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇和C₈；

B14、消失点坐标的获取

选取两条对称的车道线，并将步骤B12中获得车道线上标定点的图像坐标进行线性拟合，得到左右两条车道线的方程分别为：

y=k_lx+b_l       （3）

y=k_rx+b_r       （4）

式中k_l、b_l、k_r、b_r为拟合参数；

根据式（3）和式（4）求出两条直线的交点坐标（X_L,Y_L），即为消失点坐标；

B2、二次标定

B21、标定参数重新获取

对拍摄车辆前方道路场景的车载摄像机而言，在俯仰角变化不大的情况下,各场景中C₂、C₄、C₆和C₇的值非常接近，故将步骤B11的8个场景中分别获取的4个参数C₂、C₄、C₆和C₇的平均值作为这4个参数的二次标定的结果，然后采用最小二乘法拟合其余4个参数C₁、C₃、C₅和C₈；并将重新获取的参数分别记为C₁'、C'₂、C₃'、C'₄、C₅'、C'₆、C'₇和C₈'；

B22、线性拟合

将步骤B13中求出的消失点的Y_L坐标和步骤B21中重新获取的8个参数C₁'、C'₂、C₃'、C'₄、C₅'、C'₆、C'₇和C₈'使用最小二乘法进行二次线性拟合，并求出线性方程式，即完成标定。

与现有技术相比，本发明的有益效果和益处是：

1、本发明提出了一种基于消失点检测的车载摄像机标定方法。测距时采用基于消失点的纵坐标Y_L进行坐标变换，无需因为摄像机的安装高度和俯仰角的变化进行重新标定，操作简单方便；此外，本发明还简化了数据计算模型，提高了车载计算机的反应速度。

2、本发明提出的标定方法与车辆的俯仰角变化无关，且能根据路面消失点Y_L坐标的变化快速计算出空间坐标与图像坐标的对应关系，测距速度快、精度高。

3、本发明当摄像机安装姿态发生变化时，能够通过检测道路图像中左、右两条车道线的交点（消失点），实现摄像机标定数据的自动调整，从而解决摄像机重新安装或车辆行驶过程中俯仰角变化所导致的测距精度不足的问题。

附图说明

本发明共附图5张，其中：

图1为标定场景图。

图2为摄像机不同俯仰角下的标定场景图。

图3为一次标定后的参数对应图。

图4为二次标定后的参数拟合图。

图5为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合技术方案、附图及附表对本发明进一步说明。本发明提出了一种基于消失点检测的车载摄像机标定方法，具体包括以下步骤：

A、设备安装和标定场地铺设

将摄像机居中安装在车辆挡风玻璃上端；选择水平的标定场地，如图1所示，设从摄像机镜头引垂线与地面的交点为车体坐标系的坐标原点，车头方向为y轴正方向，与其垂直的为x轴,右边为正方向，将各标定物按照图1进行放置，并记录所有标定物在车体坐标系下的坐标，如表3所示。

B、图像标定

第一步：图像采集；通过图像采集软件采集标定场景图像，通过改变摄像机的俯仰角采集不同俯仰角下的标定场景图，如图2所示的场景1至场景8。

第二步：在画图软件中打开标定图像，将光标移动至标定点与路面交汇线的中心点，可在画图软件的右下方读出该点的像素坐标；运用上述方法记录下所有标定的像素坐标，并与步骤A中获得车体坐标进行一一对应，运用Matlab软件编辑程序，采用最小二乘法求出式（1）和式（2）中的8个参数和消失点的Y_L坐标，求得的数据列入表1并使用Matlab绘制如图3所示的对应关系。

第三步：对C₂、C₄、C₆、C₇求均值，作为该参数二次标定的结果，然后采用最小二乘法拟合其余4个参数C₁、C₃、C₅、C₈，可求出一组新的参数C₁'、C'₂、C₃'、C'₄、C₅'、C'₆、C'₇、C'₈，如表2所示；将这8个参数和消失点的Y_L坐标的对应关系进行二次线性拟合，就得到了如图4所示的线性关系，对应的关系式如下： $C_1^{\′}=-7.846*{10}^{-08}*Y_L^2+5.403*{10}^{-5}*Y_L-0.01345---\left(5\right)$

C'₂=-3.1109*10^-4      （6）

$C_3^{\′}=2.719*{10}^{-05}*Y_L^2-0.01854*Y_L-4.613---\left(7\right)$

C'₄=-6.6716*10^-4     （8）

$C_5^{\′}=-1.42*{10}^{-06}*Y_L^2+7.704*{10}^{-4}*Y_L-0.09459---\left(9\right)$

C'₆=-12.7886      （10）

C'₇=-1.9349*10^-4      （11）

$C_8^{\′}=-1.162*{10}^{-07}*Y_L^2+7.224*{10}^{-5}{Y}_L-0.01455---\left(12\right)$

基于式（5）至式（12），在需要测量图像中检测到的车辆距本车的实际距离时，只需要在左、右车道线检测的基础上，求出Y_L，即可得到摄像机标定参数C₁'、C'₂、C₃'、C'₄、C₅'、C'₆、C'₇、C₈'，从而代入至式（1）和式（2）中，得到所检测出的车辆距本车的实际距离。

表1：一次标定后的8个参数与消失点的Y_L坐标

表2：二次标定后的8个参数与消失点的Y_L坐标

表3：标定物在车体坐标系下的坐标

注：以中间位参考，左二为中间左侧第二列，左一为中间左侧第一列，右一为中间右侧第一列，右二为中间右侧第二列；标定物坐标从上往下依次列入表中。

Claims (1)

1.一种车载摄像机的标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、设备安装和标定场地铺设

根据安装高度不同，将车型大致分为小型、中性和大型三类；针对同一车型，设备安装在前风挡玻璃上部，安装高度可在小范围内波动，摄像机应居中安装；选择水平的标定场地，场地上包含左、右两个车道线，标定物在道路平面内尽量等距放置；记录车体坐标系下各标定点的坐标；

B、图像标定

B1、一次标定

B11、标定图像采集

使用车载摄像机采集标定场地图像，要求采集范围内的标定物与路面的交线在图像中清晰可辨；通过连续改变摄像机的俯仰角，采集不同俯仰角下的标定场地图像并进行编号，编号分别为：场景1、场景2、场景3、场景4、场景5、场景6、场景7和场景8；

B12、标定点车体坐标和像素坐标的获取

在画图软件中分别打开标定图像，将光标移动至每个标定点与路面交汇线的中心点，在画图软件的右下方读出该点的像素坐标（x,y）并进行记录；定义第i个标定点的像素坐标为（x_i,y_i），单位为pixel，与其对应的车体坐标系下标定点的坐标记为（X_i,Y_i），单位为m；

B13、标定参数获取

设当前车体坐标系中任意点（X,Y,Z）在二维图像坐标系上的坐标（x,y），如果空间点都在同一个平面上，即Z为常数，则空间点和图像点的坐标满足：

$X=\frac{C_{1}x+C_{2}y+C_3}{C_{7}x+C_{8}y+1}---\left(1\right)$

$Y=\frac{C_{4}x+C_{5}y+C_5}{C_{7}x+C_{8}y+1}---\left(2\right)$

式中，C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇和C₈为所求的8个未知系数；由式（1）和（2）可知，若已知4个以上标定参考点的空间坐标及其在图像上对应点的坐标，就用非线性最小二乘法拟合8个未知系数，从而确定空间平面和图像平面的坐标变换关系；

基于各标定点在车体坐标系和图像坐标系中的坐标，使用Matlab软件采用最小二乘法拟合出式（1）和式（2）中的8个未知参数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇和C₈；

B14、消失点坐标的获取

选取两条对称的车道线，并将步骤B12中获得车道线上标定点的图像坐标进行线性拟合，得到左右两条车道线的方程分别为：

y=k_lx+b_l       （3）

y=k_rx+b_r       （4）

式中k_l、b_l、k_r、b_r为拟合参数；

根据式（3）和式（4）求出两条直线的交点坐标（X_L,Y_L），即为消失点坐标；

B2、二次标定

B21、标定参数重新获取

对拍摄车辆前方道路场景的车载摄像机而言，在俯仰角变化不大的情况下,各场景中C₂、C₄、C₆和C₇的值非常接近，故将步骤B11的8个场景中分别获取的4个参数C₂、C₄、C₆和C₇的平均值作为这4个参数的二次标定的结果，然后采用最小二乘法拟合其余4个参数C₁、C₃、C₅和C₈；并将重新获取的参数分别记为C₁'、C'₂、C₃'、C'₄、C₅'、C'₆、C'₇和C₈'；

B22、线性拟合

将步骤B13中求出的消失点的Y_L坐标和步骤B21中重新获取的8个参数C₁'、C'₂、C₃'、C'₄、C₅'、C'₆、C'₇和C₈'使用最小二乘法进行二次线性拟合，并求出线性方程式，即完成标定。